CPS在航天器控制系统中的应用分析*

杨孟飞，王 磊，顾 斌，赵 雷

(1.中国空间技术研究院，北京100094;2.北京控制工程研究所，北京100190; 3.空间智能控制技术重点实验室，北京100190)

CPS在航天器控制系统中的应用分析*

杨孟飞1，3，王 磊2，3，顾 斌2，赵 雷2

(1.中国空间技术研究院，北京100094;2.北京控制工程研究所，北京100190; 3.空间智能控制技术重点实验室，北京100190)

航天器控制系统是一种典型的信息-物理融合系统(CPS)，应用CPS技术将是提高航天器控制系统设计正确性和效率的一个重要途径.在探讨CPS系统特征和CPS技术研究的进展以及分析航天器控制系统的技术特点的基础上，分析了在航天器控制系统中应用CPS技术的可行性，提出了基于CPS技术的系统设计的新思路和技术途径，并研究了在航天器控制系统中应用CPS技术需解决的问题和面临的挑战.

信息-物理融合系统;航天器控制系统;应用分析

信息-物理融合系统(CPS，cyber-physical systems)是物理世界大量存在的那些同时具有通信、计算和控制过程且深度融合在一起的系统.系统的有效运行建立在通信、计算和控制的交互融合，单纯由三者之中任何单一的方面出发都不能够解决问题或达到系统目标.航天是CPS的一个重要应用领域，卫星、飞船和深空探测器等各种航天器都是典型的CPS系统，特别是各种航天器的控制分系统，集中体现了通信、计算和控制的信息物理融合的系统特征.

航天器控制分系统的设计是多目标的，包括若干项功能性能和精度指标;同时也是多领域的，包括机械、电子、力、热、电磁、计算、通信、控制等.对于多目标的实现，实际上是从多领域的角度进行综合求解的过程.目前系统设计主要是从分立目标开始，实践中依赖以往型号经验，试凑法(try and error)使用较多.设计时(产品投产前)缺少可靠的方法和工具，对于系统设计的多目标优化求解问题没有有效的解决方法，对于已经形成的设计，缺乏有效的系统级设计的仿真分析与验证手段，造成了设计风险后移且效率低，使得系统研制周期长，风险控制难度大，资源耗费严重，成本提高.

从CPS的角度出发，研究航天器控制系统的信息物理融合，目的是寻求建立一套有效的设计与验证的理论方法和技术途径，使得设计结果满足系统的多目标要求，且在设计阶段即可进行验证.这一混合优化求解过程中的多目标多领域参数包括线性的、非线性的，定性的、定量的，离散的、连续的，实时的、离线的，动态的、静态的等不同类型.

本文首先介绍CPS技术的研究进展，其次分析航天器控制系统的CPS特点，对航天器控制系统的CPS技术应用进行了分析，总结出CPS技术在航天器控制系统中的应用挑战.

1 CPS技术研究进展和前沿方向

国外对CPS技术的研究得到了各国政府的认同和大力支持.2007年7月美国总统科学技术委员会(PCAST，president’s council of advisor on science and technology)发布的报告《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》中，将 CPS作为8大关键技术之首.美国网络与信息技术研究开发计划(NITRD)已投入数亿美元支持CPS的研究，并组织加州大学伯克利分校、卡内基梅隆大学、麻省理工学院、范德堡大学等高校以及IBM、Boeing、Honeywell、通用等企业的研发机构联合开展CPS技术的研发.欧盟则计划在2013年前投入54亿欧元开展名为“嵌入智能与系统的研究与技术(ARTMEIS)”的研究，以期在2016年成为智能电子系统的世界领袖.日本、韩国等国家也已设立了针对 CPS的研究计划.中国的国家自然科学基金、973计划和863计划已经将CPS技术研究列为重点支持的对象.

CPS是计算过程与物理过程紧密结合[1]的一类系统，其核心是计算、通信和控制(computation，communication，control，即“3C”)在系统内的融合[2].CPS系统具有以下特点:物理世界与计算机系统紧密融合[3];分布计算;具备自适应能力;具备自主控制能力;具有不确定性和开放性.在典型的CPS中，例如智能电力网[4]、智能交通系统、机器人花园系统[5]等，CPS包含了物理对象、计算模块、敏感器、执行机构、通信网络等元素，并将这些元素以某种结构融合成为一个系统.

数十年来，系统与控制学科已提出了很多在系统科学与工程领域行之有效的方法和技术，如时域和频域分析、状态空间分析、系统辨识、最优滤波、优化及鲁棒控制等;计算机学科在计算机体系结构、编程语言、算法、实时计算、图形理论和技术、编译器设计等方面取得重大进展，并提出了很多用于保证计算机系统可信性的理论和方法;通信学科则研究了信号分析、信号处理、信号同步、信源与信道编码、信道复用、网络拓扑结构优化等技术.CPS需要将上述两个学科甚至更多其他学科(例如电子、电力、化学、生物等)的理论知识与工程方法相结合[6].

目前，来自各个领域的学者已在 CPS建模、目标优化、安全性保证和系统验证等方面进行了初步研究.

在建模方面，传统的建模方法是使用微分方程对物理对象或物理过程建模，这种方法不适于同时描述物理过程和计算过程.目前CPS建模相关的研究主要集中在系统中物理对象和信息对象的数学描述.如用Ptolemy II框架为CPS系统中的各类对象提供不同的模型描述方法[6];Grimm等利用统一化过程网络来描述CPS中信息和物理两类对象的方法[7];Ahmadi等提出了一种称为稀疏回归立方体(Sparse Regression Cube)的建模技术[8];Akella等利用离散时间系统描述CPS中的物理对象，使用安全过程代数(Security Process Algebra)对整个CPS进行建模[9].Tan等[10]提出了一种基于概念格的事件模型，将CPS抽象为一个事件响应系统.研究新的建模技术和建模方法，用精确的模型参数和定量的描述环境对系统的影响来建立CPS的模型是关键问题.

在系统目标优化方面，已有学者进行了初步的研究.Huang等[11]借鉴SOA(service oriented architecture)的服务资源分配模型，提出了一种通过调整CPS内部资源以满足实时性限制和其他物理资源限制的架构;Jiang等[12]提出了一种能够降低系统能耗而又满足计算任务时间要求的调度算法;Goswami等[13]则提出了一种同时考虑通信方案设计与控制器设计的方法，保证系统控制稳定的情况下得到更加宽松的通信延时限制.

在安全性保证方面，Bak等提出了一种用于CPS的沙箱控制器设计方法[13]，用安全的沙箱控制器将未经过正确性验证的控制器封装起来，切断不安全的控制输出;Yagan等[15]提出了均匀构造CPS内部网络连接的方法;Crenshaw等[16]提出了一种单一引用模型，用于限制 CPS中的错误传播.Sun等[17]研究了CPS中部件组合后的干扰问题，提出了一种验证部件间频率互不干扰的方法.Akella等[9]提出了一种基于安全过程代数(security process algebra)模型的CPS保密性模型检验方法.He等[17]提出了一种安全数据聚集方法，在一定程度上保护CPS内部传输数据的隐私性和完整性.

在系统验证方面，已有部分学者研究了CPS动态仿真技术.Lin等[18]提出了一种针对能源系统的通信网络与能源系统本身进行协同的仿真方法; Gavrilescu等[19]介绍了一种基于片上可编程系统(PSoC，programmable system on chip)的精确的事件驱动机制仿真验证的框架;文献[21]介绍了一个用于实时混成体系架构测试的CPS，具有高度可配置的结构，支持分布式混成系统测试的实时操作，可用于验证实施实时混成系统架构的执行机构的运动和行为、计算部件与物理部件间的交互以及计算延时和通信延时.

上述研究为CPS技术的进一步发展奠定了基础，让人们对 CPS有了更深入的了解，但是，面对CPS系统，当前的研究是初步的和局部的，这一研究领域仍面临着许多挑战，主要的前沿方向有:

1)建模技术.目前的建模方法无法从全局对整个系统进行优化，也无法保证整个系统的正确性和安全性.因此，需要研究新的建模技术以便将CPS中的各类对象、部件进行统一建模，并能够定量描述外部环境对系统的影响;

2)结构设计技术.CPS的结构设计需充分考虑系统的划分、物理部件的特性和空间分布、计算的分布(例如集中式、分布式或二者结合)、通信方案、软件对硬件的访问方式[22]等问题，需要一套标准化的系统结构设计方法以支持这种信息部件与物理部件融合的系统集成[23];

3)系统目标优化技术.一个CPS的系统目标可能是单一目标或者是多目标的组合;同时，系统受到了各种物理的或计算的限制以及系统结构的限制.上述因素使得CPS设计变成一个复杂的、高度非线性的寻优问题.解决这类问题涉及到复杂的问题简化技术，而不正确的简化可能带来系统设计的严重缺陷.因此，有必要研究一套系统的、可靠的、有效的系统目标寻优方法;

4)并发软件研制技术.CPS中存在着分布式计算，需要面对多任务、并发、同步的复杂需求，同时还必须满足实时、容错的要求.而针对此类分布式软件的软件工程研究(软件设计模式、可靠性设计、测试方法等)还很薄弱，软件的质量和开发效率亟需提高[24]，这是CPS研究需要解决的一个重要问题;

5)形式化验证技术.形式化验证能够严格证明系统所具有的性质，能够保证系统验证的充分性.然而现有的形式化验证技术难以对大规模系统进行验证，而且所能验证的性质有限，不适用于较复杂的CPS验证.因此，必须改进现有形式化验证算法，使之能够验证复杂系统模型;

6)直观物理对象的应用技术.CPS研究的是多领域融合系统设计验证的理论方法和技术工具，必须结合直观的物理对象开展研究，将方法和工具应用到实际的信息-物理融合系统，如何应用的技术也是CPS面临的关键性挑战.

2 航天器控制系统是典型的CPS

航天器控制系统是控制航天器飞行轨道和姿态所需的整套设备和软件的总称，用于航天器姿态稳定、指向控制、姿态捕获与机动、轨道捕获与保持、轨道机动和修正、航天器的导航定位等功能.控制系统是各类航天器中的关键分系统之一，它保证航天器能够正确地完成复杂的飞行任务.

航天器控制系统一般由测量部件、中心控制器和执行部件构成.测量部件是指利用各类参考源获取航天器姿态信息的装置，如太阳敏感器、地球敏感器、星敏感器、惯性姿态敏感器、成像敏感器;中心控制器一般是由中心控制器、模拟控制器和时钟组成;执行机构用于保持和改变航天器的姿态、轨道及各机构的状态，包括推力器、动量轮、磁力矩器、帆板驱动机构以及其他机构驱动装置.

航天器控制系统是典型的具有通信、计算和控制的信息-物理融合系统.系统的有效运行建立在通信、计算和控制的交互融合上，集中体现了 CPS的系统特征.

在通信方面，航天器控制系统需要通过总线网络与数管系统通信，接收地面的遥操作指令和数据包，并将航天器数据发送到地面;还可能通过总线网络与其他分系统通信，发出指令或传递数据.控制系统内部的敏感器、执行机构都要与中心控制器进行通信:敏感器要接收中心控制器的读数指令，并将数据传送给中心控制器;执行机构也需要接收来自中心控制器的控制命令，并返回相关的遥测数据.不同的部件进行通信时的数据量不同，实时性要求也不同，需要合适的网络结构和通信协议以保证数据传输的可靠性和实时性.

在计算方面，航天器控制系统需要进行轨道计算、制导与导航计算、姿态计算、地磁场计算、星敏感器图像处理与识别、星历表计算、控制率计算等若干不同的计算任务.这些计算任务主要分为两类:对各类敏感器数据的数据处理和数据融合;规划、寻优、控制计算.这些计算任务在航天器控制系统中是分布在多个计算单元进行的.一些敏感器(如陀螺)配有局部计算单元，用于采集和处理该敏感器的数据，并按要求传输给中心控制器.各局部计算单元的计算要与中心控制器的计算协调、同步地进行.

在控制方面，航天器控制系统的核心任务就是对航天器的轨道、姿态以及特定的部件进行控制.航天器控制系统要正确地完成不同控制模式之间的切换，在航天器飞行的不同阶段，航天器控制系统要在速率阻尼、太阳捕获、地球搜索、地球指向、正常运行、位置保持、故障安全、异常处理等各种控制模式之间进行切换，以完成不同的控制任务.在每个控制模式下，GNC系统要利用来自敏感器的反馈信号，通过各种执行机构进行轨道调整、轨道保持、姿态机动、姿态保持，并按照任务需求控制特定部件的运动(如帆板对日定向、通信天线对地定向等).

控制是航天器控制系统的核心任务，而通信与计算为控制提供了条件.各种敏感器从物理世界中采集完成控制任务所需的物理量，通过通信网络传送给中心控制器或者局部计算单元;经过数据转换、处理、融合后，中心控制器计算出控制任务所需的各种反馈信号，并按照地面控制指令或者预定控制目标进行规划、寻优和控制律计算，得到控制指令;最终通过通信网络将控制指令传送到执行器.整个控制过程将通信、计算与控制紧密融合在一起.

因此，航天器控制系统是典型的CPS，是CPS的一个直观的物理对象.通过上述分析，可以看到，航天器控制系统具备以下典型CPS特征:

1)通信、计算和控制的紧密融合;

2)分布式计算;

3)具有自适应能力;

4)具备自主控制能力;

5)具有不确定性和开放性.

3 航天器控制系统的CPS应用分析

航天器控制系统具有多目标(multi-objective)多领域(multi-domain)的设计要求，包括多方面的技术指标，如:质量、体积(尺寸)、功耗;制导、导航与控制的精度指标;电磁兼容性指标;可靠性指标;环境(温度、辐射、振动、光照)适应性指标;各种实时性时间指标;涉及到的主要领域包括:机械结构设计、电子线路、计算机、无线通信、电源、导航控制、光学、模式识别、多体动力学、力学、热学、流体力学等方面.系统的设计是从通信、计算和控制的紧密融合开始，进行多目标多领域的综合求解.

目前航天器控制系统设计的过程中，对于设计的验证一般集中在控制器设计的数学仿真，很难考虑到系统的其他物理特性.系统设计时还主要是从分立目标开始，实践中试凑法(try and error)使用较多，从满足单一目标后再考虑是否满足另一个目标，若不满足后退调整.设计时，同时考虑多目标的实践比较少;设计的验证严重依赖于后续步骤的试验和测试，使得系统测试既要验证物理产品与系统设计的符合性，还要检验设计的正确性.

由于设计时(实物产品生产之前)缺少可靠的方法和工具，对于系统设计的多目标求解问题没有有效的解决方法，对于已经形成的设计，又没有有效的系统级仿真验证手段，造成了设计风险后移，导致一系列问题，如效率低使得系统完成周期很长，资源耗费严重使得成本提高.系统设计时也在很大程度上依赖于以往型号经验，使得系统的性能和质量受到设计人员经验和能力的影响较大.

因此，目前的系统设计方法已经不适应航天型号数量剧烈增长的需求，必须从方法学的角度根本上解决系统设计与验证的工具问题.由于航天器控制系统是典型的 CPS系统，因此，从信息物理融合的视角出发，应用CPS技术进行航天器控制系统的设计与验证，有助于提高系统设计的正确性和效率，缩短研制周期，减少资源浪费，最重要的是为航天器控制系统的设计开拓了崭新的思路.主要体现在以下方面:

1)CPS建模技术的应用能够提高航天器控制系统设计的质量和效率.在控制分系统设计初期，运用CPS建模技术提供的统一的系统设计描述语言和开发环境对系统进行建模，将物理过程和计算过程统一、将硬件与软件统一.建模可以做到从分系统级逐渐细化到单机部件级、单板级、直至逻辑运算单元级，又能运行到统一的体系结构中，便于从全局的视角对整个系统进行检查、验证和优化;

2)CPS目标寻优技术有助于提高航天器控制系统的性能.航天器系统一般是多目标和多约束的，例如，航天器控制系统在进行运行轨道调整时，不但要尽快到达目标轨道，还需要尽量节省能源，同时需要考虑光照的因素，是典型的多目标约束求解问题.利用CPS目标寻优技术，能够进行多领域多目标的求解，不仅从整体上针对系统目标进行优化，而且还可以给出最坏情况的分析结论;

3)CPS系统结构设计技术可以优化航天器控制系统的系统结构，可以在有限的资源限制下设计出更加灵敏、高效、可靠的系统结构和控制方案，扩展航天器的功能;系统结构设计技术还可以给出最小系统的设计结果;

4)CPS验证技术为航天器控制系统的设计验证提供了技术支撑.在系统体系结构设计和系统建模基础上，引入影响系统的内外部因素，在验证平台上动态运行系统模型，可以在设计阶段进行系统设计正确性的验证，以避免风险后移;在系统试验阶段，可以验证产品(或实物系统)对设计的符合性.

4 航天器控制系统应用CPS技术的挑战

4.1 多领域抽象与建模

在航天器控制系统设计时，要在机械结构、电子线路、导航控制、环境(力、热、电磁、辐射)、通信等多个领域用统一的描述语言进行抽象，并且可以在多个层次上组合，利用多领域建模语言可以最终建立系统模型，涵盖系统的(包括系统级、部组件级、单板级)各个层次.

例如:总线接口与通信协议函数、陀螺和加表输出函数、电流电压功耗特征函数、结构尺寸、质量质心特性、安装位置、噪声函数、温度影响函数、热耗函数、EMC特征函数等组合在一起，即可成为惯性测量单元数学模型，可用于检验在系统中的电接口和数据输出.每个单机产品形成类似的模型，再加入中心控制器模型，可以组成系统级模型.

多领域抽象与建模可以在航天器控制系统设计时帮助梳理系统参数集合，通过建模实现系统描述，既是系统设计的内容，也是进行设计验证的前提.所建立的模型，在型号从设计到发射以及在轨维护的全周期内，对于分析问题和解决问题，都具有依据性意义.

4.2 多目标优化求解

根据系统模型，针对多个设计目标进行系统参数的优化求解，可以得到满足设计要求的设计方案.进行多目标优化时，各分系统的部组件必须满足的两个条件是:系统级的属性可以由部组件的属性计算得到;部组件的固有属性不会由于与其他部组件的互联而改变.否则，多目标优化求解将无法进行.

多目标优化求解应能做到正逆可行.例如，在给定各部组件的模型时，可求解其能够达到的指标，和设计目标相比较，得到是否满足的结论;反过来，给定系统设计目标，可以求解某部组件单一属性的容差.

多目标优化求解是完成设计工作的关键性过程，通过优化求解，可以给出系统模型中各个参数的数值解，用于完成系统的裕度分析、最坏情况分析;为系统的优化调整给出依据和可行性结论;还可以输出测试覆盖项目，给出关键环节和关键参数.

4.3 系统级设计的仿真验证

根据系统模型进行多目标优化，需要模型运行平台，可以对多领域建模语言编译执行，显示执行结果，绘制过程曲线，具有多领域的模型库.在运行平台上，对于系统静态的技术指标可以进行正逆计算求解，对于动态技术指标可以仿真验证.

因此，需要有系统级设计仿真验证的环境，包括运行平台、模型库以及内在的求解能力和界面层面的显示能力.

系统级设计的仿真验证解决设计的正确性验证问题，在模型运行平台上，可以直观的得到系统运行的正确性和稳定性结论.

5 结 论

航天器控制系统是典型的CPS系统.本文从CPS系统的视角出发，通过分析目前CPS的研究现状以及航天器控制系统的CPS典型特性，提出了航天器控制系统设计应用CPS技术的新思路和技术途径，并研究了在航天器控制系统中应用CPS技术需解决的问题和面临的挑战.

CPS的研究已被各国政府高度认同并大力支持，CPS技术将深深影响到各个领域.航天器控制系统应用CPS技术可以解决目前面临的设计验证的关键性问题，开创航天器控制系统设计的新思路和技术途径.这一过程中既是对CPS技术的检验，又可以促进CPS技术的发展.

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The App lication of CPS to Spacecraft Control System s

YANG Mengfei1，3，WANG Lei2，3，GU Bin2，ZHAO Lei2
(1.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China; 2.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China; 3.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory，Beijing 100190，China)

Spacecraft control systems are typical CPSs(cyber-physical systems).The application of CPS techniques will be an importantway of improving the correctness and efficiency of the design of spacecraft control systems.Based on the studies on the characteristics of CPSs and the progress of the researches of CPS techniques，and the discussion of the features of spacecraft control systems，the practicability of app lying CPS techniques to spacecraft control systems is analyzed，and an idea that introduces CPS techniques into the design，verification and validation processes of spacecraft control systems is proposed，to deal with the problems raised in these processes.At last，several technical challenges are discussed about the application of CPS to spacecraft control systems.

cyber-physical systems;spacecraft control systems;application analysis

TP39 V448

A

1674-1579(2012)05-0008-06

杨孟飞(1962—)，男，研究员，研究方向为控制计算机系统及嵌入式软件和控制系统;王 磊(1977—)，男，高级工程师，研究方向为航天器控制系统;顾 斌(1968—)，男，研究员，研究方向为航天器控制系统;赵 雷(1981—)，男，工程师，研究方向为软件工程.

*国家863计划“面向信息-物理融合的系统平台”项目课题资助项目(2011AA010105).

2012-03-22

DO I:10.3969/j.issn.1674-1579.2012.05.002